国际数控机床五轴高速加工中心的现状分析.docx

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国际数控机床五轴高速加工中心的现状分析

一、国际数控机床、五轴高速加工中心的现状分析

1.国际数控机床发展现状分析

1.1数控机床是国际机床市场的消费主流

2007年我国机床产值世界排名第3，约107.5亿美元，而外向度（对外出口比率）仅15.3%，而同样是2007年，德国的外向度高达72%、日本53%、意大利58%、西班牙52.9%，我国台湾省竞达78%。

我们虽然已步入机床大国的行列，却远远不是机床强国，与国际市场上的各大机床强国相比，仍有不小差距。

进入21世纪以后，世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控化率达70%，中国为60%。

目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以高速多轴加工中心、专用数控机床、成套设备为主。

1.2全球机床产业结构逐渐发生变化

2003年至2005年间，日本、中国、韩国与台湾地区的机床产量增长了10%，从占世界总量的36.7%上升到47%。

世界机床行业正在发生结构性变化，其中两个最显著的特点就是，机床的制造与消费正在从西方转向东方。

2005年世界机床产量总值为518.55亿美元，比2004年的456.27亿美元提高了13.6%。

上面提到的三国与台湾地区的产值从2002年的117.89亿美元，猛增到2005年的243.7亿美元。

其中，日本的产量增长了118.1%；中国为112.8%；台湾地区为85.6%；韩国为77.4%。

2005年日本的机床产值达到132.59亿美元，其产量占世界总量的四分之一强，超过德国位居世界第一。

中国的机床产量增幅强劲，2005年产值达到50亿美元，超过意大利，跃居世界第三机床生产大国，其大部分产品为内销。

台湾地区已取代美国，机床产量世界排名第五，2005年产值为32.95亿美元。

韩国也已超过瑞士排在第七位，2005年产值达到28.16亿美元。

而西班牙的机床产量位居世界第九位，2005年产值为11.41亿美元，年度增长率为11.9%，低于全世界机床生产国年度增长13.6%的水平。

2.国际五轴高速加工中心发展现状分析

近十多年来，由于刀具、驱动、控制与机床等技术的不断进步，高速加工与高效加工，特别是高速硬铣已在模具制造业中得到了广泛应用与推广，传统的电火花加工在很多场合已被高速硬铣所替代。

通过高速硬铣对一次装夹下的模具坯件进行综合加工，不仅大大提高了模具的加工精度与表面质量，大幅度减少了加工时间，而且简化了生产工艺流程，从而显著缩短了模具的制造周期，降低了模具生产成本。

高速加工中心不断提高的工作性能是模具制造业得以高效与高精度加工模具的重要前提。

近年来，在驱动技术的推动下，涌现出结构创新、性能优良的众多不同类型的高速加工中心。

90年代中后期出现的三轴高速加工中心（如瑞士Mikron公司在1996年末推出的HSM700型高速加工中心）现已发展到五轴高速加工中心。

在驱动方式上，已从直线运动（X/Y/Z轴）的伺服电机与滚珠丝杠驱动发展到目前的直线电机驱动，回转运动（A与C轴）采用了直接驱动的力矩电机，有的公司并通过直线电机与力矩电机使加工中心发展成全采用直接驱动的五轴加工中心。

显著提高了加工中心的行程速度、动态性能与定位精度。

2.1五轴高速加工中心的结构特点及优点

目前，根据坐标轴的配置，五轴加工中心基本上可分为两种结构型式。

一种是，三个直线轴（X/Y/Z）用于刀具运动与两个附加旋转轴（A与C）用于工件的回转与摆动的结构型式。

这种类型的高速加工中心,如德国Roder公司的RXP500DS/RXP800DS，德国Alzmetall公司的GS1000/5-T，瑞士Mikro的HSM400U/HSM600U与称之为超高速加工中心的XSM400U/XSM600U，以及德国Hermle的C30U/C40U/C50U等。

另一种是，五个坐标轴中的一个摆动轴（A）设置在主轴头上的结构型式，通过叉形主轴头实现主轴刀具的摆动，而摆动主轴头也可通过牢固夹紧，使其定位在摆动角度范围内的任意位置上。

这种类型的机床如德国德马吉公司的D五轴高速加工中心75Vlinear/D五轴高速加工中心105Vlinear，Mikro的HPM1850U与德国RolfWisser的高速铣床GAMMA605/1200等。

有个别机床有把摆动轴与回转轴均设置在主轴头上，如德国Parat公司的G996V/BSH/5A高速铣削中心与德国Edel公司的五轴或六轴龙门铣床。

五轴高速加工中心在价格上要比三轴加工中心高很多，据德马吉75V系列的五轴加工中心与三轴加工中心进行价格比较，五轴要比三轴的价格约高50%。

五轴高速加工中心价格虽高，但这种高档机床特别适合用来加工几何形状复杂的模具。

五轴加工中心在加工较深、较陡的型腔时，可以通过工件或主轴头的附加回转及摆动为立铣刀的加工创造最佳的工艺条件，并避免刀具及刀杆与型腔壁发生碰撞，减小刀具加工时的抖动与刀具破损的危险，从而有利于提高模具的表面质量、加工效率与刀具的耐用度。

用户在采购加工中心时，是选用三轴加工中心还是五轴加工中心，应根据模具型腔几何形状的复杂程度与精度等要求来决定。

从高速加工中心不断创新的过程中可以看出，充分利用当今技术领域里的最新成就，特别是利用驱动技术与控制技术的最新成果，是不断提高加工中心高速性能、动态特性与加工精度的关键。

2.2世界五轴高速加工中心的技术发展趋势

在21世纪的今后100年中，世界科技与机械制造业将有更大的新的发展，市场对各种机床、特别是五轴高速加工中心将会有更高的新的要求。

目前，在美、德、日等工业发达国家，五轴高速加工中心在科研、设计、制造、使用上，技术已比较成熟。

而且各种机、电、液、气、光、基础元部件、刀具、测量、NC系统等均能互相配套。

今后的发展，与世界经济景气状况、波动变化将有较密切的关系。

世界景气、资金充足，用户需要发展生产，市场对新装备的需求就更多，要求也就更高，促使所有机床及五轴高速加工中心向更高性能发展。

反之，资金短缺，需求减少，就需求低、中档、经济廉价机床较多。

以现有技术水平为基础与起点，今后世界五轴高速加工中心的技术发展趋势主要有以下几方面：

（1）高速、高效

机床向高速化方向发展，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量与精度。

超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。

进入21世纪以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代五轴高速加工中心，加快机床高速化发展步伐。

高速主轴单元（电主轴，转速15000-100000r/min）、高速且高加减速度的进给运动部件（快移速度60-120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能数控与伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。

随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料与磨料磨具，大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统（含监控系统）与防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，为开发应用新一代五轴高速加工中心提供了技术基础。

（2）高精度

从精密加工发展到超精密加工，是世界各工业强国致力发展的方向。

其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（＜10nm），其应用范围日趋广泛。

当前，在机械加工高精度的要求下，普通级数控机床的加工精度已由±10mm提高到±5mm；精密级加工中心的加工精度则从±3-5mm，提高到±1-1.5mm，甚至更高；超精密加工精度进入纳米级（0.001微米），主轴回转精度要求达到0.01-0.05微米，加工圆度为0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。

这些机床一般都采用矢量控制的变频驱动电主轴（电机与主轴一体化），主轴径向跳动小于2mm，轴向窜动小于1mm，轴系不平衡度达到G0.4级。

高速高精加工机床的进给驱动，主要有"回转伺服电机加精密高速滚珠丝杠"与"直线电机直接驱动"两种类型。

此外，新兴的并联机床也易于实现高速进给。

滚珠丝杠由于工艺成熟，应用广泛，不仅精度能达到较高（ISO34081级），而且实现高速化的成本也相对较低，所以迄今仍为许多高速加工机床所采用。

当前使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90m/min，加速度1.5g。

滚珠丝杠属机械传动，在传动过程中不可避免存在弹性变形、摩擦与反向间隙，相应地造成运动滞后与其它非线性误差，为了排除这些误差对加工精度的影响，1993年开始在机床上应用直线电机直接驱动，由于是没有中间环节的"零传动"，不仅运动惯量小、系统刚度大、响应快，可以达到很高的速度与加速度，而且其行程长度理论上不受限制，定位精度在高精度位置反馈系统的作用下也易达到较高水平，是高速高精加工机床特别是中、大型机床较理想的驱动方式。

目前使用直线电机的高速高精加工机床最大快移速度已达208m/min，加速度2g，并且还有发展余地。

（3）高可靠性

随着数控机床网络化应用的发展，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造商与数控机床制造商追求的目标。

对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率在P（t）＝99%以上，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。

对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10：

（数控的可靠比主机高一个数量级）。

此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。

当前国外数控装置的MTBF值已达6000小时以上，驱动装置达30000小时以上，但是，可以看到距理想的目标还有差距。

（4）复合化

在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀与主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。

柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔与扩孔等多种加工工序。

就棱体类零件而言，加工中心便是最典型的进行同一类工艺方法多工序复合加工的机床。

事实证明，机床复合加工能提高加工精度与加工效率，节省占地面积特别是能缩短零件的加工周期。

（5）多轴化

一个轴，只能加工一道线；两个轴，就能加工一个面；三个轴，就能加工立体空间部件；四轴以上，功能就更为强大，工作平面都能旋转，加工精度极高。

多轴联动的高性能数控机床，能同时控制四个以上坐标轴的联动。

通常三轴机床可以实现二轴、二轴半、三轴加工；五轴机床也可以只用到三轴联动加工，而其他两轴不联动。

它能将数控铣床、数控镗床、数控钻床等功能组合在一起，零件在一次装夹后，可以将加工面进行铣、镗、钻、扩、铰及攻螺纹等多工序加工，能有效地避免由于多次安装造成的定位误差，可加工形状复杂，精度要求高的零件，如叶轮叶片等。

随着5轴联动数控系统与编程软件的普及，5轴联动控制的加工中心与数控铣床已经成为当前的一个开发热点，由于在加工自由曲面时，5轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单，并且能使球头铣刀在铣削3维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显着改善加工表面的粗糙度与大幅度提高加工效率，而在3轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削，因此，5轴联动机床以其无可替代的性能优势已经成为各大机床厂家积极开发与竞争的焦点。

国外还在研究6轴联动控制使用非旋转刀具的加工中心，虽然其加工形状不受限制且切深可以很薄，但加工效率太低一时尚难实用化。

（6）智能化

智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向。

智能加工是一种基于神经网络控制、模糊控制、数字化网络技术与理论的加工，它是要在加工过程中模拟人类专家的智能活动，以解决加工过程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题。

智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：

为追求加工效率与加工质量的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成；自动识别负载自动选定模型、自整定等；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算；简化编程、简化操作的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等；智能诊断、智能监控，方便系统的诊断及维修等。

世界上正在进行研究的智能化切削加工系统很多，其中日本智能化数控装置研究会针对钻削的智能加工方案具有代表性。

（7）网络化

数控机床的网络化，主要指机床通过所配装的数控系统与外部的其它控制系统或上位计算机进行网络连接与网络控制。

数控机床一般首先面向生产现场与企业内部的局域网，然后再经由因特网通向企业外部，这就是所谓Internet/Intranet技术。

随着网络技术的成熟与发展，业界又提出了数字制造的概念。

数字制造，又称"e-制造"，是机械制造企业现代化的标志之一，也是国际先进机床制造商当今标准配置的供货方式。

随着信息化技术的大量采用，越来越多的国内用户在进口数控机床时要求具有远程通讯服务等功能。

机械制造企业在普遍采用CAD/CAM的基础上，越加广泛地使用数控加工设备。

数控应用软件日趋丰富与具有"人性化"。

虚拟设计、虚拟制造等高端技术也越来越多地为工程技术人员所追求。

通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代机床发展的重要趋势。

在数字制造的目标下，通过流程再造与信息化改造，ERP等一批先进企业管理软件已经脱颖而出，为企业创造出更高的经济效益。

（8）柔性化

数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：

从点（数控单机、加工中心与数控复合加工机床）、线（F五轴高速加工中心、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性与经济性方向发展。

柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。

其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网与集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善；CNC单机向高精度、高速度与高柔性方向发展；数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS联结，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集成与智能化方向发展。

（9）绿色化

21世纪的金切机床必须把环保与节能放在重要位置，即要实现切削加工工艺的绿色化。

目前这一绿色加工工艺主要集中在不使用切削液上，这主要是因为切削液既污染环境与危害工人健康，又增加资源与能源的消耗。

干切削一般是在大气氛围中进行，但也包括在特殊气体氛围中（氮气中、冷风中或采用干式静电冷却技术）不使用切削液进行的切削。

不过，对于某些加工方式与工件组合，完全不使用切削液的干切削目前尚难与实际应用，故又出现了使用极微量润滑（MQL）的准干切削。

目前在欧洲的大批量机械加工中，已有10-15%的加工使用了干与准干切削。

对于面向多种加工方法/工件组合的加工中心之类的机床来说，主要是采用准干切削，通常是让极微量的切削油与压缩空气的混合物经由机床主轴与工具内的中空通道喷向切削区。

在各类金切机床中，采用干切削最多的是滚齿机。

总之，在世界范围内，机械制造业将进一步发展，机床工业承担着提供各种先进工艺装备的重任，而五轴高速加工中心具有很多突出的优点，今后必将获得更大的发展。

中国需要加快工业建设，发展四个现代化，对各类先进机床有大量需求，用以更新现有落后装备。

而且尤需减少进口、扩大出口，任务异常艰巨。

因此，必须全面提高人员素质，加强科研与专业间相互合作，减少内耗，充分发挥个体、集体战斗作用，讲究战略战术，才能在世界激烈竞争中取胜。